DE102009036171B4

DE102009036171B4 - Process for the electrodeposition of a coating on a bipolar plate of a fuel cell

Info

Publication number: DE102009036171B4
Application number: DE102009036171.5A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Elhamid; Gayatri Vyas Dadheech; Youssef M. Mikhail
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: DE102009036171A1; CN101656319A; US20100032306A1; US8246808B2

Abstract

Verfahren, umfassend, dass: ein Substrat (30) für eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird, das eine erste Seite (31) besitzt, die ein Reaktionsgasströmungsfeld aufweist, das darin durch eine Vielzahl von Stegen (32) und zumindest einen Kanal (34) definiert ist, ein Behälter (12) bereitgestellt wird, von dem ein Schwamm (20), eine positive Elektrode (22) und eine Elektrolytlösung (24) aufgenommen sind, wobei der Schwamm (20) eine Fläche aufweist, die eine Vielzahl von darin definierten erhöhten Merkmalen (46) aufweist, die derart konstruiert und angeordnet sind, so dass die erhöhten Merkmale (46) mit einer Vielzahl erster Abschnitte (42) der Stege (32) des Substrats (30) zur Abscheidung einer elektrisch leitenden Beschichtung daran in Kontakt treten, wobei eine Vielzahl zweiter Abschnitte (44) der Stege (32) nicht mit dem Schwamm (20) in Kontakt treten, und die elektrisch leitende Beschichtung auf die Vielzahl erster Abschnitte (42) der Stege (32) selektiv galvanisiert wird, indem eine elektrische Spannung zwischen die positive Elektrode (22) und das Substrat (30) angelegt wird, wobei die Vielzahl zweiter Abschnitte (44) der Stege (32) durch die elektrisch leitende Beschichtung unbedeckt zurückbleibt.A method, comprising: providing a fuel cell bipolar plate substrate (30) having a first side (31) having a reaction gas flow field defined therein by a plurality of lands (32) and at least one channel (34 ), a container (12) is provided from which a sponge (20), a positive electrode (22) and an electrolyte solution (24) are received, the sponge (20) having a surface containing a plurality of therein defined raised features (46) constructed and arranged so that the raised features (46) are in contact with a plurality of first portions (42) of the lands (32) of the substrate (30) for depositing an electrically conductive coating thereon wherein a plurality of second portions (44) of the lands (32) do not contact the sponge (20), and the electrically conductive coating selectively contacts the plurality of first portions (42) of the lands (32) is galvanized by an electrical voltage between the positive electrode (22) and the substrate (30) is applied, wherein the plurality of second portions (44) of the webs (32) left uncovered by the electrically conductive coating.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung einer Beschichtung auf eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle.The invention relates to a method for the electrodeposition of a coating on a bipolar plate of a fuel cell.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Bisher ist es bekannt gewesen, dass bipolare Platten für Brennstoffzellen zumindest einen Reaktionsgasströmungspfad aufweisen, der in einer Oberfläche einer bipolaren Platte durch eine Vielzahl von Stegen und zumindest einen Kanal definiert ist. Um einen Kontaktwiderstand zwischen einer Diffusionsmediumschicht und einer bipolaren Platte zu reduzieren, ist die den Reaktionsgasströmungspfad der bipolaren Platte definierende Oberfläche bisher mit Gold beschichtet worden.Heretofore, it has been known that bipolar plates for fuel cells have at least one reaction gas flow path defined in a surface of a bipolar plate by a plurality of lands and at least one channel. In order to reduce a contact resistance between a diffusion medium layer and a bipolar plate, the surface defining the reaction gas flow path of the bipolar plate has heretofore been coated with gold.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung einer Beschichtung auf eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle anzugeben, wodurch ein geringer Kontaktwiderstand der bipolaren Platte zu einer Diffusionsmediumschicht gewährleistet ist, zugleich sich die Beschichtung aber auch kostengünstig herstellen lässt.The invention has for its object to provide a method for the electrodeposition of a coating on a bipolar plate of a fuel cell, whereby a low contact resistance of the bipolar plate is ensured to a diffusion medium, at the same time, however, the coating can be produced inexpensively.

Herkömmliche Verfahren zur galvanischen Abscheidung einer Beschichtung sind aus den Druckschriften DE 10 2004 009 869 A1 , AT 297 435 B , DE 197 58 513 C2 , DE 20 10 139 A , EP 1 468 127 B1 , EP 1 753 896 B1 , EP 1 678 351 B1 , EP 0 203 368 B1 , DE 32 27 878 A1 und EP 0 247 541 B1 bekannt.Conventional methods for the electrodeposition of a coating are known from the documents DE 10 2004 009 869 A1 . AT 297 435 B . DE 197 58 513 C2 . DE 20 10 139 A . EP 1 468 127 B1 . EP 1 753 896 B1 . EP 1 678 351 B1 . EP 0 203 368 B1 . DE 32 27 878 A1 and EP 0 247 541 B1 known.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst, dass ein Substrat für eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird, das eine erste Seite besitzt, die ein Reaktionsgasströmungsfeld aufweist, das darin durch eine Vielzahl von Stegen und zumindest einen Kanal definiert ist. Ferner wird ein Behälter bereitgestellt, von dem ein Schwamm, eine positive Elektrode und eine Elektrolytlösung aufgenommen sind. Der Schwamm weist eine Fläche auf, die eine Vielzahl von darin definierten erhöhten Merkmalen aufweist, die derart konstruiert und angeordnet sind, so dass die erhöhten Merkmale mit einer Vielzahl erster Abschnitte der Stege des Substrats zur Abscheidung einer elektrisch leitenden Beschichtung daran in Kontakt treten, wobei eine Vielzahl zweiter Abschnitte der Stege nicht mit dem Schwamm in Kontakt treten. Die elektrisch leitende Beschichtung wird auf die Vielzahl erster Abschnitte der Stege selektiv galvanisiert, indem eine elektrische Spannung zwischen die positive Elektrode und das Substrat angelegt wird, wobei die Vielzahl zweiter Abschnitte der Stege durch die elektrisch leitende Beschichtung unbedeckt zurückbleibt.A method according to the invention comprises providing a substrate for a bipolar plate of a fuel cell having a first side having a reaction gas flow field defined therein by a plurality of lands and at least one channel. Further, a container is provided, from which a sponge, a positive electrode and an electrolyte solution are accommodated. The sponge has a surface having a plurality of elevated features defined therein and constructed and arranged such that the raised features contact a plurality of first portions of the webs of the substrate for deposition of an electrically conductive coating thereon a plurality of second portions of the webs do not contact the sponge. The electrically conductive coating is selectively plated on the plurality of first portions of the lands by applying an electrical voltage between the positive electrode and the substrate, leaving the plurality of second portions of the lands uncovered by the electrically conductive coating.

Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung dienen.Other exemplary embodiments of the invention will become apparent from the following detailed description. It should be understood that the detailed description as well as specific examples, while disclosing exemplary embodiments of the invention, are intended for purposes of illustration only.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Beispielhafte Ausführungsformen werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:Exemplary embodiments will be better understood from the detailed description and the accompanying drawings, in which:

1 ein Galvanisiersystem zeigt, das bei einem Verfahren gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform anwendbar ist; 1 shows a galvanizing system applicable to a method according to a non-embodiment of the invention;

2 eine Draufsicht eines Bodens mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern ist, der bei einem Verfahren gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform anwendbar ist; 2 is a plan view of a bottom having a plurality of through holes, which is applicable to a method according to a non-embodiment of the invention;

2A eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts 2A von 2 ist; 2A an enlarged view of a section 2A of 2 is;

3 eine Schnittansicht einer bipolaren Platte ist, die ein erstes Substrat und ein zweites Substrat aufweist, auf die eine elektrisch leitende Beschichtung galvanisiert werden kann; 3 Fig. 10 is a sectional view of a bipolar plate having a first substrate and a second substrate on which an electrically conductive coating can be plated;

4 eine alternative Ausführungsform einer bipolaren Platte einer Brennstoffzelle zeigt, auf die eine elektrisch leitende Beschichtung selektiv galvanisiert werden kann; 4 shows an alternative embodiment of a bipolar plate of a fuel cell, to which an electrically conductive coating can be selectively electroplated;

5 eine vergrößerte teilweise Draufsicht einer Oberfläche einer bipolaren Platte einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von Stegen sowie einem Reaktionsgasströmungskanal ist, und bei der eine elektrisch leitende Beschichtung auf Abschnitte der Stege selektiv galvanisiert worden ist, wobei Abschnitte der Stege unbeschichtet bleiben wie auch die Kanäle unbeschichtet bleiben. 5 Fig. 3 is an enlarged partial plan view of a bipolar plate surface of a fuel cell having a plurality of lands and a reaction gas flow channel, and wherein an electrically conductive coating has been selectively plated onto portions of the lands leaving portions of the lands uncoated as well as leaving the channels uncoated.

6 ein Verfahren zum Galvanisieren gewählter Abschnitte der Stege einer bipolaren Platte einer Brennstoffzelle, das einen Schwamm mit einer Vielzahl erhöhter Merkmale oder Vorsprünge zum Kontakt mit Abschnitten der Stege der bipolaren Platte der Brennstoffzelle verwendet, gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt. 6 a method of galvanizing selected portions of the lands of a bipolar plate of a fuel cell using a sponge having a plurality of raised features or protrusions for contact with portions of the lands of the bipolar plate of the fuel cell according to an embodiment of the invention.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS

Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter (illustrativer) Natur.The following description of embodiment (s) is merely exemplary (illustrative) in nature.

Nun Bezug nehmend auf 1 bis 2A kann eine Ausführungsform ein Verfahren umfassen, das umfasst, dass ein Galvanisiersystem 10 vorgesehen wird, das einen Behälter 12 aufweist, der Seitenwände 14, einen Deckel 16 sowie einen Boden 18 aufweisen kann, von denen jede(r) ein isolierendes Material sein kann, wie ein Polymermaterial. Der Boden 18 kann eine Polymertafel mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 21 sein, wie am besten in 2A gezeigt ist. Die Durchgangslöcher 21 können jeweils in einer Vielzahl von Konstruktionen vorliegen und angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform kann das Durchgangsloch eine Querschnittsfläche im Bereich von 1 nm bis 100 nm besitzen und kann von Mittelpunkt zu Mittelpunkt um eine Distanz im Bereich von 1 nm bis 100 nm beabstandet sein. Ein Material zum Verlangsamen der Strömung der Elektrolytlösung durch die Durchgangslöcher 21, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, ein Schwamm 20, kann in dem Behälter über dem Boden 18 liegend vorgesehen sein. Eine positive Elektrode (Anode) 22 kann in dem Behälter vorgesehen und mit einer elektrischen Quelle, wie einer Batterie 28, verbunden sein. Die positive Elektrode 22 kann aus einem einer Vielzahl elektrisch leitender Materialien bestehen, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Materialien mit niedrigem Kontaktwiderstand. Ein geeignetes Material oder eine geeignete Beschichtung mit niedrigem Kontaktwiderstand kann umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt: Gold, Palladium, Platin, Iridium, Ruthenium, Silber, Legierungen oder Mischungen daraus, die für die positive Elektrode 22 geeignet sein können. Es kann eine Elektrolytlösung 24 in dem Behälter vorgesehen sein, die komplementär zu der positiven Elektrode 22 ist. Ein Beladerohr 26 kann vorgesehen und mit dem Behälter 12 verbunden sein, um die Elektrolytlösung 24 von einem Reservoir wieder aufzufüllen.Now referring to 1 to 2A For example, an embodiment may include a method that includes a plating system 10 is provided, which is a container 12 has, the side walls 14 , a lid 16 as well as a floor 18 each of which may be an insulating material, such as a polymeric material. The floor 18 may be a polymer panel with a plurality of through holes 21 be as best in 2A is shown. The through holes 21 may each be in a variety of constructions and arranged. In one embodiment, the via may have a cross-sectional area in the range of 1 nm to 100 nm, and may be spaced from center to center by a distance in the range of 1 nm to 100 nm. A material for slowing the flow of the electrolytic solution through the through holes 21 , such as, but not limited to, a sponge 20 , may be in the container above the ground 18 be provided lying. A positive electrode (anode) 22 can be provided in the container and with an electrical source, such as a battery 28 be connected. The positive electrode 22 may be any of a variety of electrically conductive materials such as, but not limited to, low contact resistance materials. A suitable material or coating with low contact resistance may include, but is not limited to: gold, palladium, platinum, iridium, ruthenium, silver, alloys or mixtures thereof, those for the positive electrode 22 may be suitable. It can be an electrolyte solution 24 be provided in the container which is complementary to the positive electrode 22 is. A Beladerohr 26 can be provided and with the container 12 be connected to the electrolyte solution 24 to replenish from a reservoir.

Zumindest ein erstes Substrat 30 für eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle kann unter dem Boden 18 positioniert und mit der elektrischen Quelle (Batterie) 28 verbunden sein. Das erste Substrat 30 umfasst eine erste Seite 31, die ein Reaktandengasströmungsfeld für die Brennstoffzelle aufweist, das darin durch eine Vielzahl von Stegen 32 und Kanälen 34 definiert ist. Das erste Substrat 30 kann auch eine zweite entgegengesetzte Seite 33 aufweisen, die eine Vielzahl von Abschnitten eines darin definierten Kühlfluidkanals 40 aufweisen kann. Wenn das erste Substrat 30 und die positive Elektrode 22 mit der Batterie 28 verbunden sind, fließen Elektronen von dem ersten Substrat 30 zu der positiven Elektrode 22, so dass Material von der positiven Elektrode in die Elektrolytlösung 24 eintritt und durch die Vielzahl von Durchgangslöchern 36 in dem Boden 18 gelangt, um auf Abschnitte der Stege 32 des ersten Substrats selektiv galvanisiert zu werden, wobei Abschnitte der Stege unbedeckt verbleiben.At least a first substrate 30 for a bipolar plate a fuel cell may be under the ground 18 positioned and with the electrical source (battery) 28 be connected. The first substrate 30 includes a first page 31 comprising a reactant gas flow field for the fuel cell therein through a plurality of lands 32 and channels 34 is defined. The first substrate 30 can also have a second opposite page 33 comprising a plurality of sections of a cooling fluid channel defined therein 40 can have. If the first substrate 30 and the positive electrode 22 with the battery 28 are connected, electrons flow from the first substrate 30 to the positive electrode 22 , allowing material from the positive electrode into the electrolyte solution 24 enters and through the plurality of through holes 36 in the ground 18 passes to sections of the webs 32 of the first substrate to be selectively plated, leaving portions of the lands uncovered.

3 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform, die ein erstes Substrat 30 zeigt, das eine erste Seite 31 aufweist, die eine Vielzahl von Stegen 32 und Kanälen 34 definiert. Ein zweites Substrat 38, das eine erste Seite 37 aufweist, die ebenfalls eine Vielzahl von Stegen 32 und Kanälen 34 definiert, ist mit dem ersten Substrat 30 verbunden. Zwischen dem ersten Substrat 30 und dem zweiten Substrat 38 kann eine Vielzahl von Kühlmittelfluidströmungskanälen 40 definiert sein. Das erste Substrat 30 kann eine zweite Seite 33 aufweisen, die ebenfalls eine Vielzahl von Stegen und Kanälen definiert. Gleichermaßen kann das zweite Substrat 38 eine zweite Seite 39 besitzen, die eine Vielzahl von Stegen und Kanälen definiert. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer bipolaren Platte einer Brennstoffzelle, bei der das erste Substrat 30 und das zweite Substrat 38 wesentlich dicker sein können. 3 Figure 3 illustrates an alternative embodiment that includes a first substrate 30 shows that a first page 31 which has a variety of webs 32 and channels 34 Are defined. A second substrate 38 that's a first page 37 which also has a plurality of webs 32 and channels 34 is defined with the first substrate 30 connected. Between the first substrate 30 and the second substrate 38 may be a plurality of coolant fluid flow channels 40 be defined. The first substrate 30 can be a second page 33 have, which also defines a plurality of webs and channels. Likewise, the second substrate 38 a second page 39 own, which defines a multiplicity of webs and channels. 4 shows an alternative embodiment of a bipolar plate of a fuel cell, wherein the first substrate 30 and the second substrate 38 can be much thicker.

5 ist eine vergrößerte teilweise Draufsicht eines Abschnitts der ersten Seite 31 eines ersten Substrats 30 einer bipolaren Platte einer Brennstoffzelle. Die erste Seite 31 umfasst zumindest einen durch eine Vielzahl von Stegen 32 definierten Reaktionsgasströmungskanal 34. Ein elektrisch leitendes Material 42 ist über Abschnitten der Stege 32 selektiv abgeschieden, wobei Abschnitte 44 von dem elektrisch leitenden Material unbedeckt verbleiben. Ferner können die Kanäle 40 im Wesentlichen frei von dem elektrisch leitenden Material 42 sein. 5 is an enlarged partial top view of a portion of the first page 31 a first substrate 30 a bipolar plate of a fuel cell. The first page 31 includes at least one of a plurality of webs 32 defined reaction gas flow channel 34 , An electrically conductive material 42 is over sections of the walkways 32 selectively deposited, with sections 44 remain uncovered by the electrically conductive material. Furthermore, the channels can 40 essentially free of the electrically conductive material 42 be.

Nun Bezug nehmend auf 6 kann bei einer Ausführungsform der Erfindung der Behälter 12 so abgewandelt sein, dass der Boden 18 entfernt ist, und der Schwamm 20 kann mit einer Vielzahl erhöhter Merkmale oder Vorsprünge 46 versehen sein, die sich abwärts erstrecken, wobei die benachbarten Vorsprünge 46 durch eine Ausnehmung 48 beabstandet sind, so dass die Vorsprünge 46 selektiv mit Abschnitten der Stege 32 in Kontakt treten, um das elektrisch leitende Material darauf elektrisch zu plattieren bzw. zu galvanisieren.Now referring to 6 may in one embodiment of the invention, the container 12 be modified so that the ground 18 is removed, and the sponge 20 Can with a variety of elevated features or protrusions 46 be provided, which extend downwardly, wherein the adjacent projections 46 through a recess 48 are spaced so that the projections 46 selective with sections of the webs 32 contact to electrically electroplate the electroconductive material thereon.

Bei einer Ausführungsform ist die elektrisch leitende Beschichtung eine Goldlegierung mit bis zu 90 Gew.-% Gold, wobei der Rest ein unedles Metall aufweist. Das unedle Metall kann Zink, Magnesium, Aluminium oder deren Mischungen sein. Bei einer Ausführungsform kann die Legierung eine reaktive Komponente aufweisen, und die reaktive Komponente kann in einer Säure, wie Schwefelsäure, oder einer Base, wie Natrium- oder Kaliumhydroxid, gelöst sein, wodurch Goldinseln auf den Stegen zurückbleiben. Die oben beschriebenen Konstruktionen können derart aufgebaut und angeordnet und betrieben werden, so dass weniger als 30% der Fläche der Stege galvanisiert sind.In one embodiment, the electrically conductive coating is a gold alloy with up to 90% by weight gold, the remainder comprising a base metal. The base metal may be zinc, magnesium, aluminum or mixtures thereof. In one embodiment, the alloy may have a reactive component, and the reactive component may be dissolved in an acid, such as sulfuric acid, or a base, such as sodium or potassium hydroxide, leaving gold islands on the lands. The structures described above may be constructed and arranged and operated such that less than 30% of the area of the lands is galvanized.

Claims

A method, comprising: a substrate ( 30 ) is provided for a bipolar plate of a fuel cell having a first side ( 31 ) having a reaction gas flow field defined therein by a plurality of lands ( 32 ) and at least one channel ( 34 ), a container ( 12 ), from which a sponge ( 20 ), a positive electrode ( 22 ) and an electrolyte solution ( 24 ), the sponge ( 20 ) has an area containing a plurality of enhanced features ( 46 ) constructed and arranged so that the increased features ( 46 ) with a large number of first sections ( 42 ) of the webs ( 32 ) of the substrate ( 30 ) for depositing an electrically conductive coating thereon, wherein a plurality of second portions ( 44 ) of the webs ( 32 ) not with the sponge ( 20 ) and the electrically conductive coating on the plurality of first sections ( 42 ) of the webs ( 32 ) is selectively electroplated by applying an electrical voltage between the positive electrode ( 22 ) and the substrate ( 30 ), wherein the plurality of second sections ( 44 ) of the webs ( 32 ) remains uncovered by the electrically conductive coating.

The method of claim 1, wherein the positive electrode material ( 22 ) Comprises gold, palladium, platinum, iridium and / or ruthenium.